哈勃的数据强化宇宙膨胀速度之谜

[ 录入者:Melipal | 时间:2019-05-25 21:38:08 | 作者:Melipal 译 | 来源:NASA | 浏览:2799次 ]

原文标题:Mystery of the Universe’s Expansion Rate Widens With New Hubble Data

作者:Donna Weaver / Ray Villard, Adam Riess, Claire Andreoli   原文来自:NASA   Posted: 2019. 4. 25

编译:Melipal   审校:Linq

使用NASA哈勃空间望远镜的天文学家宣称,在揭示由两种关键方法测得的宇宙膨胀速率之间的矛盾的过程中,他们已经越过了一个关键的门槛。新近的研究加强了这样一种管点,也旧事说为了解释塑造宇宙的作用力,我们可能需要新的理论。

简要回顾:宇宙每一秒钟都在变大。星系之间的空间就像烤炉中的面包圈一样在扩张着。但宇宙膨胀的速率是多少?哈勃以及其他望远镜在找寻这一问题的答案期间,我们遭遇了科学家的预言以及观测结果之间令人迷惑的差别。

哈勃的测量结果说明,当前宇宙的膨胀速率较基于宇宙130余亿年前情况做出的预期更快。这些阵对早期宇宙的测量是由欧洲空间局的普朗克卫星提供的。在过去几年中,科学论文已然辨认出了这样的差异。但是人们并不清楚的是,差异的成因究竟是测量技术所致,还是说源自不凑巧的测量。(译注:以上两段描述的实际是近年使用不同方法测量哈勃常数所得的矛盾结果。大体来说,根据宇宙微波背景辐射“从前向后”测得的哈勃常数在70以下,这类结果以普朗克卫星为代表;另一方面,使用造父变星等标准烛光“从后向前”测量的哈勃常数普遍偏大,介于72-74之间。考虑这些测量各自的精度都在2%甚至更高,如此差异是难以被人忽视的。)

哈勃最新的结果将纯粹偶然导致的差异降低到了10万分之一的概率。较先前的估计相比,这是一个显著的提升——不到1年之前,这一概率还是3000分之一。

哈勃作出的这些迄今最为精确的测量增强了我们需要新物理学来解释所见不一致的观点。

来自马里兰州巴尔的摩(Baltimore)空间望远镜科学研究所(STScI)与约翰·霍普金斯大学的课题研究领导人、诺贝尔奖得主亚当·里斯(Adam Riess)说:“早期与当代宇宙中哈勃常数的矛盾可能应该算是数十年来宇宙学最激动人心的发展了。这一矛盾愈发激化,而现在已经到了完全不能被视作偶然的程度。”

拧紧宇宙距离阶梯上的螺栓

科学家使用“宇宙距离阶梯”来确定宇宙中天体的距离。这一方法取决于借助充当里程计的恒星来对邻近星系距离进行精确测量,随后要将这一方法推广到距离越来越远的星系上。天文学家将这样的数据与星系辐射穿过膨胀宇宙期间的红移测量结合,以确定宇宙随时间的膨胀速度——这一参数就是哈勃常数。里斯与他的SH0ES(物态的超新星H0测量)小组自2005年起就开始借助哈勃望远镜来改进距离测量,进而提升哈勃常数的精度了。

在这项新的研究中,天文学家使用哈勃望远镜观测了大麦哲伦云中70颗名为造父变星的脉动恒星。这些观测更好地比较了这些造父变星及其存在于距离更远的超新星宿主星系中的同类,帮助天文学家“重构”了距离阶梯。里斯的小再将哈勃常数的不确定性从先前得出的2.2%减少到了1.9%。

上图是地面望远镜拍摄的银河系伴星系——大麦哲伦云的图像。插入的小图由哈勃空间望远镜拍摄,其中揭示出了遍布这个矮星系的众多星团。星团成员就包括一类名为造父变星的特殊脉动恒星,它们增亮减暗的方式有规律可循,而且还与本征亮度有关。一旦天文学家确定了光变参数,他们就可以知道星光的亮度,进而计算出星系的精确距离了。哈勃的新观测借助对大麦哲伦云一种独立的距离测量方法(直接的三角测量)进行了修正,从而让研究者得以强化“宇宙距离阶梯”的基础。这种“精调”工作显著提升了宇宙膨胀速率(哈勃常数)的测量精度。图片提供:NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU) and Palomar Digitized Sky Survey

小组的测量变得愈发精确,但他们对哈勃常数的计算结果还是与基于早期宇宙膨胀得出的预期值格格不入。后者是普朗克卫星给出的结果,这颗卫星测量的是宇宙微波背景辐射,也就是大爆炸38万年后的辐射残留。

普朗克的测量得的了彻底的审查,因此天文学家当前是无法将两种结果的差异解释为任何一项测量工作或方法带来的误差的。两个数值都得到了多种检验。

里斯解释道:“这不仅仅意味着两个实验结果有所不同。我们测量的是实质上完全不同的两种东西——其中之一是我们所见宇宙如今膨胀的速度,另一个是基于早期宇宙物理情况以及理应膨胀速度而作出的预言。如果这两个数值彼此不一致的话,那么就意味着宇宙学模型存在很大的概率遗漏了一些将两个时期联系到一起的因素。”

新的研究是如何进行的

100多年来,天文学家一直在使用造父变星充当量天尺,测量邻近的星系际距离。不过找寻大量的造父变星是非常消耗时间的,以至于几近不可行。因此小组使用了一种聪明的新方法——DASH(漂移+转战)。他们将哈勃视作一架“定点拍摄”的照相机,来捕获极其明亮的脉动恒星的快照,这样就毋需进行耗时颇多的精确指向工作了。

这张插图展示了天文学家计算宇宙随时间膨胀速率(也就是哈勃常数)的三大基本步骤。所有这些步骤都有赖于构筑可靠的“宇宙距离阶梯”,它始于精确测量邻近星系的距离,随后拓展到愈加遥远的星系上去。这架“阶梯”是对不同天体的一系列测量,研究者可以根据它们的本征亮度来确定距离。在短距离上,最可靠的天体就是造父变星,这是以类脉动的恒星,其预言的脉动速率与其内禀光度有管。天文学家最近使用哈勃空间望远镜观测了邻近的大麦哲伦晕中70颗造父变星,并对改星系进行了最精确的距离测量。天文学家将邻近造父变星的测量结果与更遥远的星系中的同类天体进行了比较,而这些星系中都拥有另一种量天尺——一类名为Ia型超新星的恒星爆发事件。这些超新星要比造父变星亮得多,天文学家将它们视作测量地球与遥远星系间距的“路标”。每一种路标都取决于“阶梯”上的前一梯级。通过借助不同的可靠路标来拓展梯级,天文学家就可以测量宇宙中非常遥远的距离了。天文学家将距离数据与整个星系的辐射(由于宇宙的均匀膨胀,星系辐射随距离增加,红化程度也随之增强)进行比较,就可以计算出宇宙膨胀的速率,也就是哈勃常数了。上图的PDF版请点击 图片提供:NASA, ESA and A. Feild (STScI)

小组成员、同样来自STScI与约翰·霍普金斯大学的斯忒藩诺·卡瑟塔诺(Stefano Casertano)解释说:“当哈勃通过锁定导引星来精确指向目标时,在90分钟的绕地轨道周期内,它只能观测一颗造父变星。因此如果望远镜使用这一方法来观测各个变星,将是非常消耗时间的。相反,我们要做的是寻找彼此靠近的造父变星群,这样我们就可以将望远镜来回在其间移动,而不需要重新校准指向了。这些造父变星非常明亮,因此每颗星只需进行2秒的观测。这一方法让我们得以在哈勃的一个轨道周期之内就观测数十颗变星,因此我们依赖于陀螺仪的控制,实现了迅速的目标切换。”

使用哈勃的天文学家随后将他们的结果与另一组由Araucaria计划(智利、美国和欧洲天文学家的合作项目)提供的观测进行了比较。后者通过观测食双星一颗成员星从伴星前方通过时星光的减暗程度,测量出了大麦哲伦云的距离。

将两组结果结合起来,使得SH0ES小组改进了对造父变星本征光度的测量。凭借这一更为精确的结果,小组“拧紧了”伸向宇宙更深处的距离阶梯剩余的“螺栓”。

对哈勃常数的新估计是每秒每百万秒差距74千米(46英里)。这意味着星系距离我们每远330万光年,它的退行速度就会因为宇宙膨胀而每秒增加74千米(46英里)。这一数字说明,宇宙膨胀的速率要比每秒每百万秒差距67千米(41.6英里)的预言快上9%。后一数据是根据普朗克卫星对造其宇宙的观测,再结合我们当前对宇宙的了解而得出的。

那么导致哈勃常数矛盾的原因是什么?

这一矛盾的一种解释要借助早期宇宙中暗物质意料之外的模样。暗物质据信构成了宇宙中70%的成分。这一绰号“早期暗物质”的理论正由约翰·霍普金斯大学的天文学家提出,它认为宇宙的演化以三幕剧形式呈现。

天文学家已经假设,暗能量在大爆炸第一秒后即已出线,而且在整个空间中推动着物质,开启了宇宙最初的膨胀/暗能量可能也是如今宇宙加速膨胀的原因。新的理论认为,在大爆炸后不久还存在第三个暗物质演化接段,它让宇宙以快于预言的速度膨胀。里斯指出,“早期暗能量”的存在可以解释哈勃常数两个数值之间的矛盾。

另一个观点是,宇宙中含有一类新的亚原子粒子,可以以接近光速的速度运动。这样的高速粒子统称“暗辐射”,其中有先前已知的粒子如中微子,这是核反应以及放射性衰变的产物。

而还有一种吸引人的可能性是,暗物质(一种不可见的物质形态,并非由质子、中子和电子组成)与普通物质或辐射场的作用可能强于先前的假定。

但是真实的解释还是一个谜。

关于这个恼人的问题,里斯也没有解释。不过他的小组将继续使用哈勃望远镜来缩减哈勃常数的不确定性。他们的目标是将不确定性缩小到1%,这样就可以帮助天文学家确定矛盾的起源了。

小组的研究结果已经被《天体物理学报》接收。

哈勃空间望远镜是NASA于ESA(欧洲空间局)之间的国际合作项目。位于马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)的NASA戈达德太空飞行中心管理着望远镜运营。位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃的科学运转。STScI是由华盛顿特区的联合大学天文学研究机构为NASA管理的。

(全文完)

Tags:哈勃常数 造父变星

责任编辑:Melipal

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